表观缺陷及残余应力对钢管-焊接空心球节点疲劳强度的影响分析

摘要

近年来，网架结构以其跨度大、自重轻、施工快、造型美观等优点被广泛的应用在各种大型工业厂房中，如何确保节点的安全性是该类结构的主要研究课题。目前大部分网架结构均是焊接结构，在焊接过程中焊接缺陷普遍存在，焊接时产生的高温会使焊缝处残留相当大的残余应力，有时甚至达到屈服强度，这两方面无疑都会降低焊接结构的疲劳强度。以往的节点研究往往忽略焊接缺陷及残余应力的影响，对节点进行简化处理。本文认为研究焊接缺陷及残余应力对钢管—焊接空心球节点疲劳强度的影响是十分必要的。
　　本文依托国家自然科学基金项目“在悬挂吊车作用下空间网格结构疲劳问题的深入研究(51178286，2012-2015)”，对钢管—焊接空心球节点进行疲劳性能研究，主要研究内容如下:
　　(1)利用有限元分析软件ANSYS，对管球连接节点进行理论分析，得出了轴向拉力作用下管球连接节点的应力分布规律;通过改变焊缝处的咬边深度及咬边宽度，得出在轴向拉力作用下各模型的应力分布云图，将计算的应力集中系数进行分析,得出应力集中系数随着咬边深度的增大而增大，随着咬边宽度的增大而降低。
　　(2)利用有限元分析软件ANSYS，对管球节点进行建模，利用ANSYS提供的生死单元技术和热—结构耦合功能进行焊接过程仿真模拟。将节点处焊缝分为四道，每道焊缝分为12个时间段进行加热，得出四道焊缝在不同时间段的焊接温度场分布;模拟出沿焊缝中心线、钢管方向及空心球方向各点的温度时间变化曲线，符合传热的基本规律。
　　(3)运用有限元分析软件ANSYS将热单元转化为结构单元，运用生死单元技术模拟热源的移动，得出四道焊缝在升温及冷却不同阶段的各向应力及等效应力分布云图;通过数据分析，得出等效残余应力分布曲线呈周期性变化，最大值为204MPa，接近屈服;模拟出残余应力沿焊缝中心线方向的时间变化曲线。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 疲劳问题的定义及特点

1．2 焊接结构疲劳断裂的机理

1．3 影响焊接结构疲劳性能的因素

1．4 焊接缺陷对疲劳强度的影响

1．4．1 焊接缺陷的分类及成因

1．4．2 缺陷当量

1．4．3 焊接缺陷对疲劳强度的影响

1．6 焊接残余应力对疲劳强度的影响

1．6．1 焊接残余应力的概念

1．6．2 焊接残余应力产生的原因

1．6．3 焊接残余应力的分类

1．6．4 影响焊接残余应力产生的主要因素

1．6．5 焊接残余应力的测量方法

1．6．6 焊接残余应力对疲劳强度的影响

1．6．7 焊接构件中残余应力的控制和和消除方法

1．6．8 控制焊接残余应力的措施

1．7 网架结构疲劳问题研究的必要性

1．8 焊接空心球节点网架结构疲劳问题的研究进展

1．9 本文的主要研究内容

第二章 焊接缺陷对疲劳强度的影响

2．1 热点及热点应力集中系数

2．2 管-球连接的有限元模型

2．2．1 管球连接节点规格

2．2．2 管球连接节点有限元模型假定

2．2．3 管球连接节点有限元模型建立

2．3 无缺陷管球节点应力分析

2．4 带咬边缺陷管球节点应力分析

2．4．1 咬边缺陷锐度

2．4．2 焊缝咬边深度对应力集中系数的影响

2．4．3 焊缝咬边宽度对应力集中系数的影响

第三章 管球节点焊接温度场及应力场数值模拟

3．1 有限元数值模拟的主要过程

3．2 模型的建立

3．3 焊接温度场的计算

3．3．1 常用的焊接温度热源

3．3．2 焊接热源模移动

3．3．3 温度场的计算

3．5 焊接应力场的求解

3．5．1 单元转换及材料属性的定义

3．5．2 约束条件和荷载条件的施加

3．5．3 应力场的求解

第四章 焊接温度场求解分析

4．1 焊接过程中温度场分布云图

4．2 沿焊缝中心线的温度变化曲线

4．3 不同路径各点的温度时间历程曲线

4．3．1 焊缝上各点的温度变化曲线

4．3．2 钢管与空心球方向各点的温度时间变化曲线

第五章 焊接应力场求解分析

5．1 焊接过程中应力分布云图

5．2 各方向的应力分布曲线

5．3 沿焊缝中心线残余应力分布曲线

5．4 焊缝上各点的应力时间历程曲线

第六章 结论及建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文